摘要：當(dāng)前，傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電充電方式存在速度慢、高峰期負(fù)荷大等問題，無法滿足新能源汽車用戶的快速充電需求，已成為制約新能源汽車大規(guī)模商用的瓶頸，因此設(shè)計一種快速、綠色、智能的新充電模式迫在眉睫。“光儲充”一體化充電站通過集成光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和智能充電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)快速便捷的綠色充電，確保充電站自主可靠運行，解決新能源汽車充電難題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，對促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義。該文分析新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案，對該方案進(jìn)行性能評估和試驗論證，從而實現(xiàn)綠色環(huán)保的快速充電。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；光伏發(fā)電；儲能系統(tǒng)；快速充電站

0引言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，充電設(shè)施建設(shè)不完善已經(jīng)成為制約新能源汽車大規(guī)模商用的主要原因。目前，新能源汽車充電設(shè)施主要依賴電網(wǎng)供電，存在充電速度慢、高峰期負(fù)荷大等問題，難以滿足用戶的快速充電需求。因此，設(shè)計一種快速、便捷、綠色的新能源汽車充電站十分必要。本文針對這一需求，設(shè)計一種“光儲充”一體化新能源汽車充電站方案。該方案通過將高效的光伏發(fā)電系統(tǒng)、大容量儲能系統(tǒng)和智能充電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，可實現(xiàn)充電站的自主供電和智能化控制，提供高效、便捷的快速充電服務(wù)。

1新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案

新能源汽車逐漸普及，對高效、便捷、綠色的充電設(shè)施需求不斷增加。“光儲充”一體化充電站通過太陽能光伏板吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲存，再通過快速充電樁為新能源汽車提供充電服務(wù)。這種模式有利于充分利用清潔能源，減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，降低能源消耗和減少環(huán)境污染。此外，“光儲充”一體化充電站還能夠加速新能源汽車的推廣應(yīng)用，提高充電效率，緩解充電設(shè)施不足的問題，并為用戶提供更為便捷的充電體驗，進(jìn)一步促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.1總體設(shè)計思路

新能源汽車“光儲充”一體化充電站的總體設(shè)計思路：系統(tǒng)集成光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和智能充電系統(tǒng)，從而實現(xiàn)快速綠色充電和充電站獨立供電。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)選用高效的太陽能組件，并配套智能跟蹤系統(tǒng)、優(yōu)化的并網(wǎng)系統(tǒng)及完善的運行維護(hù)體系，可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的綠色發(fā)電；儲能系統(tǒng)采用大容量、長使用壽命的鋰電池，配套智能BMS系統(tǒng)，可實現(xiàn)對電池的安全監(jiān)控和優(yōu)化管理；智能充電系統(tǒng)可實現(xiàn)對多路快速直流充電樁的統(tǒng)一監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度，以及用戶管理、計費等功能。這三大系統(tǒng)互為支撐、兼容良好，可形成穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、智能的一體化充電解決方案。該設(shè)計方案集技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理優(yōu)化于一體，既能解決電動汽車快速充電難題，也可實現(xiàn)充電站的獨立自主運行，是新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要實踐路徑。也就是說，為充電站配備大量的高效光伏組件，采用智能優(yōu)化技術(shù)提高發(fā)電效率；設(shè)置大容量電池作為儲能系統(tǒng)，平滑光伏發(fā)電的間歇性；通過的電力電子設(shè)備和控制算法實現(xiàn)快速直流充電；搭建智能充電管理平臺，對充電過程進(jìn)行優(yōu)化管理，提供充電預(yù)約、計費等功能服務(wù)。這樣，在白天光伏發(fā)電系統(tǒng)可為新能源汽車充電，夜間和陰天則由電池提供電力以保障車輛正常運行，既可實現(xiàn)快速綠色充電，又能確保充電站的獨立自主供電。

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案中的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮選用高效的太陽能電池、合理安排布局、建立智能化的跟蹤和控制系統(tǒng)等多個方面。

其一，工程師需要根據(jù)充電站位置的光照條件選擇轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好的多晶硅或銅銦鎵硒（CIGS）等光伏電池組件，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較高的發(fā)電效率。其二，需采用計算機(jī)輔助工程軟件，對充電站場地陽光進(jìn)行分析，確定安裝光伏組件的佳傾角、行距和排距，以減少組件之間的相互遮擋對發(fā)電量的影響。其三，要考慮組件之間的通風(fēng)設(shè)計，避免發(fā)電效率受高溫的負(fù)面影響。還需建立自動化或數(shù)字化的太陽能跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏組件的定時或?qū)崟r向陽跟蹤，進(jìn)一步提升發(fā)電效率。其四，要搭建智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，并確保其能實現(xiàn)故障預(yù)警、自動報警等功能，保證系統(tǒng)的持續(xù)高效運行。通過科學(xué)的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和智能化的運行維護(hù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為充電站提供經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、綠色的電力支撐，使整個充電站實現(xiàn)自主化供電。

1.3儲能系統(tǒng)設(shè)計

在新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計中，儲能系統(tǒng)設(shè)計尤為關(guān)鍵。

“光儲充”一體化充電站可將太陽能光伏板產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲存，因此需要一個可靠的儲能系統(tǒng)來保證充電站能夠全天候提供穩(wěn)定的電能。儲能系統(tǒng)需要具備高效的充放電轉(zhuǎn)換率和較大的儲能容量，以滿足白天的太陽能收集和晚上的充電需求。同時，儲能系統(tǒng)還需要具備可靠的安全性能，能夠應(yīng)對各種突發(fā)情況，從而確保充電站的持續(xù)運行和滿足用戶的充電需求。

在儲能系統(tǒng)設(shè)計中，需要兼顧系統(tǒng)的智能化和可持續(xù)性?？梢酝ㄟ^智能充放電控制系統(tǒng)實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的管理，根據(jù)電網(wǎng)和充電需求實時調(diào)整儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高能源利用效率。此外，為了確保儲能系統(tǒng)的可持續(xù)性，需要考慮儲能設(shè)備的使用壽命和回收利用。因此，在設(shè)計儲能系統(tǒng)時需要選擇高質(zhì)量、長循環(huán)壽命的電池組件，并考慮到電池組件的可持續(xù)利用和回收問題，以減少資源浪費，實現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)。

1.4智能充電系統(tǒng)設(shè)計

新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案中的智能充電系統(tǒng)，是實現(xiàn)快速智能化充電管理的關(guān)鍵所在。該系統(tǒng)需要具備的充電控制算法，通過監(jiān)控電池電壓、電流、溫度等參數(shù)，優(yōu)化控制充電過程，實現(xiàn)快速充電。同時，需配置高功率的直流快速充電樁，并支持其對多輛新能源汽車同時快速充電。在智能充電系統(tǒng)設(shè)計中，還需建立的充電負(fù)荷預(yù)測模型，并根據(jù)光伏發(fā)電量和儲能系統(tǒng)容量進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，實現(xiàn)充電負(fù)荷的平滑化，避免系統(tǒng)超載。此外，需要搭建包含充電樁、車載系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的充電站通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)控和管理，保障充電效率與安全。還可對用戶充電需求進(jìn)行分析與預(yù)測，進(jìn)而實現(xiàn)充電預(yù)約、優(yōu)先充電等差異化智能調(diào)度服務(wù)，并建立用戶注冊付費系統(tǒng)，提供充電賬單和繳費服務(wù)。

智能充電系統(tǒng)承擔(dān)對充電站所有資源進(jìn)行科學(xué)管理與優(yōu)化配置的重任，既是實現(xiàn)快速、便捷、經(jīng)濟(jì)充電服務(wù)的關(guān)鍵所在，也是提升充電站整體智能化運營水平的重要組成部分。

2新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案性能評估

在實施新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案時，需要對其進(jìn)行性能評估，重點從技術(shù)指標(biāo)評估、經(jīng)濟(jì)效益評估兩個方面進(jìn)行，以評估其性能優(yōu)劣。這對于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案，確保實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益大化具有重要意義。同時，也可以為該設(shè)計方案的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2.1技術(shù)指標(biāo)評估

在新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案的性能評估中，技術(shù)指標(biāo)評估是衡量充電站整體性能的關(guān)鍵。光伏發(fā)電系統(tǒng)性能指標(biāo)的評估，是通過測量光伏板的轉(zhuǎn)換效率、輸出功率穩(wěn)定性、溫度系數(shù)、衰減率等參數(shù)來進(jìn)行的。轉(zhuǎn)換效率直接關(guān)系每平方米光伏板能產(chǎn)生多少電力，是評估光伏板質(zhì)量的直觀指標(biāo)；輸出功率穩(wěn)定性則反映了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同日照條件下的發(fā)電能力是否穩(wěn)定，這對于保證充電站的持續(xù)穩(wěn)定供電至關(guān)重要；溫度系數(shù)是評價光伏板在不同溫度下性能變化的指標(biāo)，會影響光伏板在實際環(huán)境中的發(fā)電效率；衰減率是指光伏板隨著使用時間增加效率下降的速度，是評估光伏板長期使用價值的重要參數(shù)。

儲能系統(tǒng)性能指標(biāo)評估還涉及其容量、充放電效率、循環(huán)壽命及整體穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)的容量決定了充電站能夠儲存多少電力，是保證在光伏發(fā)電不足時仍能滿足充電需求的基礎(chǔ)；充放電效率是評價電能在儲存和釋放過程中損耗程度的重要參數(shù)，直接關(guān)系系統(tǒng)的能源利用率；循環(huán)壽命反映了儲能設(shè)備可以經(jīng)受多少次充放電循環(huán)后仍能保持一定容量，是判斷儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)；系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性包括儲能系統(tǒng)在長期運行過程中的安全性和環(huán)境適應(yīng)能力，旨在保證充電站在各種環(huán)境下都能安全穩(wěn)定地工作。

2.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估

新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估主要體現(xiàn)在技術(shù)評估和經(jīng)濟(jì)性評估兩個方面。

一，技術(shù)評估。“光儲充”一體化充電站采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電池儲能系統(tǒng)相結(jié)合的方案，可實現(xiàn)清潔能源的發(fā)電和儲能，供給新能源汽車充電使用。在技術(shù)評估方面，需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。光伏發(fā)電系統(tǒng)的評估指標(biāo)包括太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率、陣列布局設(shè)計、面積利用率等；儲能系統(tǒng)的評估指標(biāo)包括電池的能量密度、循環(huán)壽命、充放電效率等。

二，經(jīng)濟(jì)性評估。在經(jīng)濟(jì)性評估方面，需要考慮“光儲充”一體化充電站的建設(shè)和運營成本，以及其與傳統(tǒng)充電站的對比。建設(shè)成本包括光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的投資成本，以及充電設(shè)施和配套設(shè)備的成本；運營成本包括電力購買成本、設(shè)備維護(hù)成本等[6]。與傳統(tǒng)充電站相比，“光儲充”一體化充電站可以降低對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，減少能源購買成本，同時還可以通過銷售多余的電力回收一部分投資。

3新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案試驗論證

在構(gòu)建好新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案后，需要通過試驗對其進(jìn)行具體分析。但考慮到充電站實地建設(shè)難度較大，所以主要從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性兩個層面對其進(jìn)行詳細(xì)論證，以驗證該新能源汽車“光儲充”一體化充電站設(shè)計方案的可行性，為其推廣應(yīng)用提供決策依據(jù)。

一是技術(shù)可行性論證。工程師可通過計算機(jī)建模進(jìn)行仿真試驗，驗證該充電站設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。例如，在仿真試驗系統(tǒng)中建立“光儲充”充電站，該站采用60kW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、100kW·h的鋰電池儲能系統(tǒng)，支持6個120kW的快速直流充電樁。仿真試驗結(jié)果表明：該充電站可滿足日均充電服務(wù)2000車次的需求，大輸出功率可達(dá)600kW，儲能系統(tǒng)可確保夜間23時至次日7時實現(xiàn)正常充電，儲能效率在90%以上，驗證了充電站的獨立供電和快速充電的技術(shù)可行性。

二是經(jīng)濟(jì)可行性論證。通過對當(dāng)前市場情況進(jìn)行調(diào)查和分析，對充電站進(jìn)行成本收益評估得出：單個充電站設(shè)備投資約為150萬元，投資回收期約為5.5年，投資內(nèi)部收益率在10%以上。由此可知，該方案具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性。

4Acrel-2000MG充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運行為目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動；有效實現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行提供了全新的解決方案。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.3系統(tǒng)架構(gòu)

本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

圖1典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式

5充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風(fēng)電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設(shè)置等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對儲能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時告警，并支持定期的電池維護(hù)。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電站及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機(jī)容量、儲能當(dāng)前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統(tǒng)PCS參數(shù)設(shè)置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括開關(guān)機(jī)、運行模式、功率設(shè)定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面

本界面用來展示對BMS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括電芯電壓、溫度保護(hù)限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。